CH704252A1 - Gebaute schaufelanordnung für eine gasturbine sowie verfahren zum betrieb einer solchen schaufelanordnung. - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer gebauten Schaufelanordnung (20) für eine Gasturbine, bei welcher Schaufelanordnung (20) Schaufelblätter (17), welche eine Vorderkante (18) und eine Hinterkante (19) sowie eine Druckseite (21) und eine Saugseite (22) aufweisen, mit als separaten Bauteilen ausgebildeten Plattformen (23) dichtend zusammengebaut sind, wobei zwischen den Schaufelblättern (17) und den zugehörigen Plattformen (23) eine umlaufende Dichtanordnung (27) vorgesehen ist, welche den Zwischenraum zwischen Schaufelblättern (17) und Plattformen (23) gegen das die Schaufelblätter (17) umströmende Heissgas (24) abdichtet. Eine Verringerung der benötigten Kühlluft und damit eine höhere Leistung und ein verbesserter Wirkungsgrad der Turbine werden dadurch erreicht, dass auf der dem Heissgas (24) abgewandten Seite der Dichtanordnung (27) Mittel (25, 26) zur gezielten ortsabhängigen Zuführung von Kühlluft (28) zum Spülen der Dichtanordnung (27) vorgesehen sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Gasturbinen. Sie betrifft eine gebaute Schaufelanordnung für eine Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaufelanordnung.

STAND DER TECHNIK

[0002] Es ist seit längerem aus dem Stand der Technik bekannt, Laufschaufeln und/oder Leitschaufeln einer Gasturbine in einer gebauten Schaufelanordnung auszuführen, bei der die Schaufelblätter und die oberen und/oder unteren Plattformen der Schaufeln als separate Bauteile ausgebildet sind, die dann in der Schaufelanordnung zusammengebaut und dichtend verbunden werden.

[0003] Aus der Druckschrift US 5 332 360 ist eine gebaute Leitschaufelanordnung bekannt, bei der zwei Leitschaufeln mit einem äusseren und einem inneren Bandabschnitt zusammengebaut und entlang umlaufenden Nuten miteinander verlötet werden. Die Abdichtung zwischen Schaufeln und Bändern beziehungsweise Plattformen wird dabei durch die Lötung selbst erreicht. Eine vergleichbare Konfiguration ist in Fig. 1wiedergegeben: In der Schaufelanordnung 10 der Fig. 1 stecken zwei Schaufelblätter 11 in entsprechenden Öffnungen zweier gegenüberliegender Plattformen beziehungsweise Bandsegmente 12 und 13. Jedes der Schaufelblätter weist eine Vorderkante 14 und eine Hinterkante 15 auf. Das zwischen beiden Plattformen 12 und 13 durch die Schaufelblätter 11 hindurch strömende Heissgas strömt dabei von der Vorderkante 14 zur Hinterkante 15. Eine vergleichbare Anordnung ist auch aus der Druckschrift US 5 797 725 bekannt.

[0004] Es ist weiterhin bekannt (EP 1 609 952), bei Schaufelanordnungen keramische Schaufelblätter mit metallischen Plattformen oder Bändern zu kombinieren und die Zwischenräume zwischen den Schaufelblättern und den Plattformen mit speziellen Dichtungen abzudichten. Es können aber auch gezielte Leckagen von Kühlluft eingesetzt werden (EP 1 764 481), um ein Eindringen von Heissgas in die Zwischenräume zwischen den keramischen Schaufelblättern und den metallischen Plattformen zu verhindern.

[0005] Es ist auch bekannt (EP 2 189 626), Schaufelblatt und Schaufelplattform als getrennte Bauteile herzustellen und zusammen zu bauen, um beide Teile mechanisch zu entkoppeln. Auch in diesem Fall müssen bestimmte Dichtungen zwischen den Bauteilen vorgesehen werden, um das Eindringen von Heissgas zu vermeiden.

[0006] In den meisten Fällen ist es erforderlich, zusätzlich zum Einbau einer einfachen linienförmigen Dichtanordnung um das Schaufelblatt herum diese Dichtanordnung noch von der Rückseite her mit Kühlluft zu spülen, die unter einem entsprechenden Druck steht, der höher ist als der Druck des Heissgases, jedoch entlang der gesamten Dichtanordnung gleich gross ist. Dies bedeutet insbesondere, dass der Druck der Spülluft auf der Druckseite des Schaufelblattes derselbe ist wie auf der Saugseite, wo aufgrund des niedrigeren Drucks im Heissgas eigentlich weniger Druck benötigt wird. Dies führt zu einem höheren und unnötigen Verbrauch an Kühlluft in den Bereichen des Schaufelblattes beziehungsweise der Dichtanordnung, wo ein niedrigerer Druck ausreichend wäre. Dasselbe gilt auch in Bezug auf die Vorderkante und die Hinterkante des Schaufelblattes, an welchem unterschiedliche Druckverhältnisse im Heissgas herrschen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0007] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine gebaute Schaufelanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine Spülung der Dichtanordnung mit Kühlluft ohne unnötigen Verbrauch an Kühlluft erfolgen kann.

[0008] Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaufelanordnung anzugeben.

[0009] Die Aufgaben werden durch die Ansprüche 1 und 9 gelöst.

[0010] Bei der gebauten Schaufelanordnung gemäss der Erfindung sind Schaufelblätter, welche eine Vorderkante und eine Hinterkante sowie eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen, mit als separaten Bauteilen ausgebildeten Plattformen dichtend zusammengebaut, wobei zwischen den Schaufelblättern und den zugehörigen Plattformen eine umlaufende Dichtanordnung vorgesehen ist, welche den Zwischenraum zwischen Schaufelblättern und Plattformen gegen das die Schaufelblätter um strömende Heissgas abdichtet.

[0011] Die Schaufelanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass auf der dem Heissgas abgewandten Seite der Dichtanordnung Mittel zur gezielten ortsabhängigen Zuführung von Kühlluft zum Spülen der Dichtanordnung vorgesehen sind.

[0012] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemässen Schaufelanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsmittel zwischen den Schaufelblättern und den Plattformen verlaufende Kühlkanäle umfassen, in welche an ersten ausgewählten Stellen Kühlluft eingeführt und an zweiten ausgewählten Stellen abgeführt wird, und aus welchen Kühlluft als Spülluft an die Dichtanordnung abgegeben wird.

[0013] Insbesondere verlaufen die Kühlkanäle in einem vorgegebenen Abstand im Wesentlichen parallel zur Dichtanordnung.

[0014] Eine andere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die ersten ausgewählten Stellen im Bereich der Vorderkante der Schaufelblätter angeordnet sind, und dass die zweiten ausgewählten Stellen an der Hinterkante der Schaufelblätter angeordnet sind.

[0015] Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der Druckseite und der Saugseite der Schaufelblätter jeweils ein Kühlkanal vorgesehen ist, und dass die Kühlkanäle der Druckseite unabhängig von den Kühlkanälen der Saugseite mit Kühlluft versorgt werden.

[0016] Gemäss einer anderen Ausgestaltung wird die Kühlluft für die Kühlkanäle von den Enden der Schaufelblätter über die Schaufelblätter herangeführt.

[0017] Besonders vorteilhaft ist es, wenn dabei die Schaufelblätter einen Kühlluft in Schaufellängsrichtung führenden Innenraum aufweisen, und wenn die Kühlkanäle mit dem Innenraum über Verbindungskanäle in Verbindung stehen.

[0018] Gemäss einer wieder anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Kühlluft für die Kühlkanäle aus den jeweiligen Plattformen über Verbindungskanäle herangeführt wird.

[0019] Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb der Schaufelanordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Kühlluft zum Spülen der Dichtanordnung mit einem Druck erfolgt, der von der Vorderkante der Schaufelblätter zur Hinterkante abnimmt.

[0020] Die Zuführung der Kühlluft zum Spülen der Dichtanordnung kann dabei mit einem Druck erfolgen, der ein Eindringen von Heissgas an der Dichtanordnung verhindert.

[0021] Die Zuführung der Kühlluft zum Spülen der Dichtanordnung kann aber auch mit einem Druck erfolgen, der ein begrenztes Eindringen von Heissgas an der Dichtanordnung im Bereich der Vorderkante ermöglicht.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

[0022] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen <tb>Fig. 1<sep>in einer perspektivischen Seitenansicht eine beispielhafte gebaute Schaufelanordnung, bei der die Erfindung verwirklicht werden kann; <tb>Fig. 2<sep>in einer stark vereinfachten perspektivischen Darstellung eine gebaute Schaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Kühlkanälen hinter der Dichtanordnung, die auf der Druckseite und Saugseite des Schaufelblattes über das Schaufelblatt getrennt mit Kühlluft versorgt werden; <tb>Fig. 3<sep>den Schnitt durch die gebaute Schaufel aus Fig. 2 entlang der Ebene A-A; <tb>Fig. 4<sep>in einer zu Fig. 2 vergleichbaren Darstellung eine gebaute Schaufel gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Kühlkanäle aus dem Innenraum des Schaufelblattes mit Kühlluft versorgt werden; <tb>Fig. 5 den zu <sep>den Schnitt durch die gebaute Schaufel aus Fig. 3 entlang der Ebene B-B; den zu Fig. 3 entsprechenden Schnitt durch die gebaute Schaufel aus Fig. 4; und <tb>Fig. 6<sep>den zu Fig. 5 vergleichbaren Schnitt B-B durch eine gebaute Schaufel gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Kühlkanäle von der Plattform aus mit Kühlluft versorgt werden.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0023] Wenn die stationären Leitschaufeln oder rotierenden Laufschaufeln einer Gasturbine als gebaute Schaufeln ausgebildet sind, wenn also die Plattformen und dass Schaufelblatt entkoppelt sind, muss der Spalt zwischen den Bauteilen mit Kühlluft gespült werden, um das Eindringen von Heissgas ganz oder teilweise zu verhindern. Die Plattform und das Schaufelblatt sind mechanisch in einem kälteren Bereich, also entfernt vom mit Heissgas beaufschlagten Übergang Schaufelblatt/Plattform, mechanisch verbunden. Art und Platzierung dieser mechanischen Verbindung sind jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung und sollen daher nicht weiter erörtert werden.

[0024] Die vorliegende Erfindung schlägt vor, zwischen der Plattform und dem Schaufelblatt Kühlkanäle anzuordnen, die an der Hinterkante des Schaufelblattes in den Heissgaskanal münden. Zum Heissgaskanal hin hinter den Kühlkanälen ist eine Dichtanordnung vorgesehen, um die beiden Bauteile gegen das Eindringen von Heissgas abzudichten. Die Kühlkanäle fungieren als Druckregler, die den Druck zwischen der Dichtanordnung und dem Heissgas regulieren.

[0025] Auf diese Weise kann an der Vorderkante im Bereich des Staupunktes des Schaufelblattes ein hoher Kühlluft-Druck vorgesehen werden, der zur Hinterkante hin abnimmt, wo für die Spülung weniger Druck benötigt wird. Hierdurch kann der benötigte Spülluft-Strom für die Schaufelanordnung minimiert werden. Entsprechend verbessert sich die Leistung und der Wirkungsgrad der Turbine.

[0026] Zwei Arten des Betriebs sind dabei möglich: (1) Der Druck der Kühlluft in den Kühlkanälen wird so hoch gewählt, dass an der Dichtanordnung kein Heissgas eindringen kann. (2) Der Druck der Kühlluft in den Kühlkanälen wird so weit reduziert, dass in einem gewissen Umfang Heissgas an der Dichtanordnung beispielsweise im Bereich der Vorderkante des Schaufelblattes eindringen kann. Die Geometrie der Kühlkanäle kann den Eintritt von Heissgas sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite des Schaufelblattes erlauben. Das eintretende Heissgas vermischt sich dann mit dem Kühlluftstrom und wird an der Hinterkante ausgespült. Das kontrollierte Eindringen von Heissgas ermöglicht eine weitere Einsparung an Kühlluft, da der Versorgungsdruck zwischen Plattform und Schaufelblatt reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil des kontrollierten Eindringens zum Heissgas ist die Reduzierung von Temperaturgradienten in radialer Richtung im Material, wodurch thermische Spannungen reduziert werden.

[0027] Im Vergleich zum Stand der Technik wird durch die erfindungsgemässe Auslegung der Schaufelanordnung weniger Kühlluft verbraucht, so dass die Leistung und der Wirkungsgrad der Turbine steigen. Wird zusätzlich das Eindringen von Heissgas in begrenztem Umfang toleriert, ergibt sich eine weitere Verbesserung. Wesentlich ist dabei, dass der Druck, mit dem die Kühlluft hinter der Dichtanordnung zur Verfügung gestellt wird, an den Druck des Heissgases am Schaufelblatt angepasst wird.

[0028] In Fig. 2 und 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die dortige Schaufelanordnung 20 umfasst ein Schaufelblatt 17, welches mit dem einen Ende in eine Plattform 23 hineinragt und dort durch eine Dichtanordnung 27 gegen das Eindringen von Heissgas 24 abgedichtet ist. Die Plattform 23 ist nur angedeutet; die mechanische Verbindung zwischen Plattform 23 und Schaufelblatt 17 ist nicht dargestellt. Das Schaufelblatt 17 hat - wie üblich - eine Vorderkante 18, eine Hinterkante 19, eine Saugseite 22 und eine Druckseite 21. Auf der dem Heissgas 24 im Heissgaskanal abgewandten Seite der Dichtanordnung 27 sind zwischen Plattform 23 und Schaufelblatt 17 auf der Saugseite 22 und auf der Druckseite 21 Kühlkanäle 25 und 26 ausgebildet, die, abgesehen von den in Schaufellängsrichtung verlaufenden Zuführungen im Bereich der Vorderkante 18, parallel zur Dichtanordnung 27 verlaufen, welche quer zur Schaufellängsrichtung umlaufend ausgebildet ist. Fig. 3zeigt die in der Dichtanordnung 27 eingesetzten Dichtungen 29 und die mit Abstand darüber angeordneten Kühlkanäle 25 und 26 im Querschnitt.

[0029] Wie die in Fig. 2 eingezeichneten schwarzen Pfeile deutlich machen, wird an der Vorderkante 18 den Kühlkanälen 25 und 26 Kühlluft zugeführt und strömt in den Kühlkanälen 25 und 26 zur Hinterkante 19, wo sie wieder austritt. Ein Teil der in den Kühlkanälen 25 und 26 geführten Kühlluft 28 tritt zur Dichtanordnung 27 hin (in Schaufellängsrichtung) aus den Kühlkanälen 25 und 26 aus und spült die Dichtanordnung 27, so dass der Eintritt von Heissgas 24 von der anderen Seite her je nach eingesetztem Druck verhindert oder stark reduziert wird.

[0030] Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaufelanordnung zeigen die Fig. 4und 5. Während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2in das Schaufelblatt 17 in Schaufellängsrichtung lange Kanäle für die Zufuhr der Kühlluft eingebracht werden müssen, erfolgt die Zufuhr der Kühlluft beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4aus dem hohlen Innenraum 34 des Schaufelblattes 17, dem durch eine Kühlluftzufuhr 35 ohnehin Kühlluft zugeführt wird. In diesem Fall werden durch einfache kurze Verbindungskanäle 33 zwischen den Kühlkanälen 31 und 32 und dem Innenraum 34 des Schaufelblattes 17 im Bereich der Vorderkante 18 Kühlluftströme aus dem Innenraum 34 in die Kühlkanäle 31 und 32 gelenkt und strömen dort zur Hinterkante 19, wo sie wiederum austreten. Zur gezielten und unterschiedlichen Einstellung der Kühlluftströme können hier, wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen, Drosseln vorgesehen werden, mit denen der Kühlluftstrom und der Druckabfall für jeden Kühlkanal individuell einstellbar sind. Diese Drosseln sind beispielsweise in den Verbindungskanälen 33, 38 oder am Ein- oder Auslass der Verbindungskanäle 33, 38 oder am Einlass der Kühlkanäle 25, 26, 31, 32, 36, 37 oder in den Kühlkanälen 25, 26, 31, 32, 36, 37 vorgesehen.

[0031] Es ist aber auch denkbar, gemäss Fig. 6die Kühlkanäle 36 und 37 über kurze Verbindungskanäle 38 mit Kühlluft zu versorgen, die zwischen den Kühlkanälen 36 und 37 und der umgebenden Plattform 23 verlaufen. In diesem Fall wird Kühlluft aus entsprechenden Räumen in der Plattform 23 zugeführt.

[0032] Die hier erörterten Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Anordnung von Leitschaufeln. Selbstverständlich kann die Erfindung aber auch bei Laufschaufeln mit Vorteil eingesetzt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0033] <tb>10, 20, 30<sep>Schaufelanordnung <tb>11, 17<sep>Schaufelblatt <tb>12, 13<sep>Plattform <tb>14, 18<sep>Vorderkante <tb>15, 19<sep>Hinterkante <tb>16<sep>Innenraum <tb>21<sep>Druckseite <tb>22<sep>Saugseite <tb>23<sep>Plattform <tb>24<sep>Heissgas <tb>25, 26<sep>Kühlkanal <tb>27<sep>Dichtanordnung <tb>28<sep>Kühlluft <tb>29<sep>Dichtung <tb>31, 32<sep>Kühlkanal <tb>33<sep>Verbindungskanal <tb>34<sep>Innenraum <tb>35<sep>Kühlluftzufuhr <tb>36, 37<sep>Kühlkanal <tb>38<sep>Verbindungskanal

Claims (12)

1. Gebaute Schaufelanordnung (20, 30) für eine Gasturbine, bei welcher Schaufelanordnung (20, 30) Schaufelblätter (17), welche eine Vorderkante (18) und eine Hinterkante (19) sowie eine Druckseite (21) und eine Saugseite (22) aufweisen, mit als separaten Bauteilen ausgebildeten Plattformen (23) dichtend zusammengebaut sind, wobei zwischen den Schaufelblättern (17) und den zugehörigen Plattformen (23) eine umlaufende Dichtanordnung (27, 29) vorgesehen ist, welche den Zwischenraum zwischen Schaufelblättern (17) und Plattformen (23) gegen das die Schaufelblätter (17) um strömende Heissgas (24) abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Heissgas (24) abgewandten Seite der Dichtanordnung (27, 29) Mittel (25, 26; 31, 32; 36, 37) zur gezielten ortsabhängigen Zuführung von Kühlluft (28) zum Spülen der Dichtanordnung (27, 29) vorgesehen sind.

2. Schaufelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungsmittel zwischen den Schaufelblättern (17) und den Plattformen (23) verlaufende Kühlkanäle (25, 26; 31, 32; 36, 37) umfassen, in welche an ersten ausgewählten Stellen (33, 38) Kühlluft eingeführt und an zweiten ausgewählten Stellen abgeführt wird, und aus welchen Kühlluft als Spülluft an die Dichtanordnung (27, 29) abgegeben wird.

3. Schaufelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (25, 26; 31, 32; 36, 37) in einem vorgegebenen Abstand parallel zur Dichtanordnung (27, 29) verlaufen.

4. Schaufelanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten ausgewählten Stellen (33, 38) im Bereich der Vorderkante (18) der Schaufelblätter (17) angeordnet sind, und dass die zweiten ausgewählten Stellen an der Hinterkante (19) der Schaufelblätter (17) angeordnet sind.

5. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Druckseite (21) und der Saugseite (22) der Schaufelblätter (17) jeweils ein Kühlkanal (25 bzw. 26; 31 bzw. 32; 36 bzw. 37) vorgesehen ist, und dass die Kühlkanäle (25, 31, 36) der Druckseite (21) unabhängig von den Kühlkanälen (26, 32, 37) der Saugseite mit Kühlluft versorgt werden.

6. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft für die Kühlkanäle (25, 26; 31, 32) von den Enden der Schaufelblätter (17) über die Schaufelblätter (17) herangeführt wird.

7. Schaufelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblätter (17) einen Kühlluft (35) in Schaufellängsrichtung führenden Innenraum (34) aufweisen, und dass die Kühlkanäle (31, 32) mit dem Innenraum (34) über Verbindungskanäle (33) in Verbindung stehen.

8. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluft für die Kühlkanäle (36, 37) aus den jeweiligen Plattformen (23) über Verbindungskanäle (38) herangeführt wird.

9. Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Kühlluftströme in den Verbindungskanälen (33, 38) oder am Ein- oder Auslass der Verbindungskanäle (33, 38) oder am Einlass der Kühlkanäle (25, 26; 31, 32; 36, 37) oder in den Kühlkanälen (25, 26; 31, 32; 36, 37) Drosseln vorgesehen sind, mit denen der Kühlluftstrom und der Druckabfall für jeden Kühlkanal (25, 26; 31, 32; 36, 37) einstellbar ist.

10. Verfahren zum Betrieb einer Schaufelanordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Kühlluft (28) zum Spülen der Dichtanordnung (27, 29) mit einem Druck erfolgt, der von der Vorderkante (18) der Schaufelblätter (17) zur Hinterkante (19) abnimmt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Kühlluft (28) zum Spülen der Dichtanordnung (27, 29) mit einem Druck erfolgt, der ein Eindringen von Heissgas (24) an der Dichtanordnung (27, 29) verhindert.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Kühlluft (28) zum Spülen der Dichtanordnung (27, 29) mit einem Druck erfolgt, der ein begrenztes Eindringen von Heissgas (24) an der Dichtanordnung (27, 29) im Bereich der Vorderkante (18) ermöglicht.